Принцип действия и ключевые особенности
Криосорбционные насосы представляют собой особый класс вакуумного оборудования, главное преимущество которого — способность откачивать низкокипящие газы, такие как гелий и водород. В отличие от конденсационных насосов, они используют не только конденсацию, но и процесс криосорбции (поглощения газа поверхностью при сверхнизких температурах). Эта возможность обеспечивается применением специальных адсорбентов, охлаждаемых до криогенных температур. В качестве сорбентов могут выступать цеолиты, активированный уголь, пористый никель или оксидная пленка алюминия.
Конструкция и рабочий процесс
По своей конструкции криосорбционные насосы схожи с конденсационными. Интересно, что при полном насыщении адсорбента газом такой насос фактически превращается в конденсационный. Однако в диапазоне низких давлений (примерно от 10-5 до 10-4 Па) он может работать сотни и даже тысячи часов без необходимости подключения вспомогательного насоса для откачки легких газов.
Типичный криосорбционный заливной насос состоит из цилиндрического сосуда с ребрами, который изготавливается из алюминиевого сплава АД1. На его поверхность методом анодного окисления наносится высокопористая оксидная пленка алюминия толщиной 120–150 мкм, выполняющая роль основного сорбента. Эта пленка обладает высокой сорбционной емкостью, хорошей теплопроводностью и механической прочностью. Для охлаждения сорбента внутрь сосуда через специальное переливное устройство заливается жидкий гелий. Ребра на сосуде увеличивают площадь рабочей поверхности, что напрямую повышает общую сорбционную емкость насоса.
Система теплозащиты и дифференциальная откачка
Для минимизации теплопритоков сосуд с гелием защищен многоуровневой системой экранов. Ближайший к сосуду жалюзийный экран охлаждается испаряющимся газообразным гелием. Снаружи его окружает глухой экран, который, в свою очередь, охлаждается жидким азотом, хранящимся в резервуарах.
Такая конструкция реализует принцип дифференциальной откачки: разные компоненты газовой смези конденсируются и сорбируются на различных температурных уровнях. Это позволяет более рационально использовать емкость основного сорбента. Процесс происходит поэтапно: сначала на экранах с температурой 78–90 К конденсируются пары воды и углекислый газ. Затем на экране с температурой 25–30 К конденсируются практически все остальные газы, кроме гелия, водорода и неона. И, наконец, эти низкокипящие газы, а также часть других, не сконденсировавшихся ранее, сорбируются на основном сосуде с температурой около 4,2 К.
Эксплуатационные характеристики и недостатки
Криосорбционный насос часто устанавливают непосредственно внутри откачиваемого объема. После предварительного обезгаживания сосуда при 420 К он способен создавать предельное остаточное давление порядка 1 × 10-9 Па.
Несмотря на эффективность, заливные криосорбционные насосы имеют ряд существенных эксплуатационных недостатков: необходимость регулярной ручной заправки жидких гелия и азота, сложности с автоматизацией и контролем уровня хладагентов, а также дороговизна и сложность сбора испаряющегося гелия. Для сбора гелия обычно используют мягкий газгольдер, откуда газ компрессором перекачивается в баллоны под высоким давлением. В современных моделях для упрощения эксплуатации часто применяются встроенные криогенераторы, устраняющие необходимость в постоянной заливке хладагентов.
Методы испытания вакуумных насосов
При производстве и эксплуатации вакуумных насосов требуется проверка их основных параметров: быстроты действия, предельного остаточного давления, наибольшего давления запуска и наибольшего выпускного давления. Испытания проводятся на специальных установках, включающих измерительную камеру стандартных размеров, средства измерения давления и газового потока, масс-спектрометры и коммутирующую аппаратуру.
Измерение быстроты действия
Наиболее распространенный метод измерения быстроты действия основан на определении потока газа, напускаемого в измерительную камеру, и последующем расчете по формуле. В зависимости от величины потока применяются разные измерительные приборы: ротаметры (для больших потоков), измерительные бюретки или метод калиброванной диафрагмы (для малых потоков). Путем изменения давления в камере снимается зависимость быстроты действия насоса от входного давления. Для газобалластных насосов измерения проводят отдельно с открытым и закрытым газобалластным устройством. Для адсорбционных насосов вместо быстроты действия часто определяют максимальный объем, откачиваемый за установленное время.
Измерение предельного остаточного давления
Предельное остаточное давление для насосов объемного действия определяется как равновесное давление в камере, которое не изменяется более чем на 10% в течение трех часов. Для других типов насосов (например, высоковакуумных) перед измерением проводится длительное обезгаживание (прогрев) насоса и камеры при высокой температуре. Предельным давлением считается значение, установившееся через 24 часа после окончания прогрева. Для точности измерений критически важна высокая проводимость трубопровода к манометру или использование преобразователей открытого типа.
Измерение наибольшего выпускного давления
Этот параметр важен для эжекторных, бустерных и диффузионных насосов. Методика измерения заключается в следующем: сначала в измерительной камере устанавливается давление, соответствующее максимальной производительности насоса. Затем на выпускной магистрали создается дополнительная нагрузка путем напуска газа до тех пор, пока давление во входной камере не возрастет на 50%. Давление на выпускном патрубке в этот момент и фиксируется как наибольшее выпускное давление.